Теория ядерных реакторов - Белл Д.
Скачать (прямая ссылка):
На первый взгляд кажется, что при устойчивости нулевой гармоники реактора нет необходимости рассматривать устойчивость высших гармоник, но это не всегда так. Первая гармоника может оказаться неустойчивой в большом реакторе с высоким потоком нейтронов при некоторых комбинациях расположения регулирующих стержней и детекторов нейтронов. Предположим, ЧТО регулирующие стержни вводятся снизу активной зоны реактора, а детекторы расположены в верхней части реактора. Тогда введение регулирующих стержней для компенсации роста уже достаточно большого потока нейтронов не сразу окажет стабилизирующее воздействие на поток в месте расположения детекторов. В этих условиях возможно возникновение неустойчивости первой гармоники потока нейтронов.
На рис. 10.9 представлена зависимость периода осцилляций потока нейтронов, соответствующего со основной гармоники при нейтральной устойчивости, от уровня потока нейтронов для конкретного реактора [36]. При низких потоках, когда накопление ксенона-135 является доминирующим фактором, периоды велики, но они уменьшаются с увеличением потока из-за расту-
441
щего воздействия обратной связи по мощности. При потоках около 2 • IO11 нейтрон/(см2 ¦ сек) эффект выгорания ксенона-135 становится существенным, и период снова увеличивается. При потоках выше
IO13 нейтрон1(см2 • сек) обратная связь по мощности превалирует, и периоды осцилляций уменьшаются.
Хотя математическая модель, на базе которой получены рассмотренные качественные выводы, представляет собой серьезное упрощение реальной ситуации, тем не менее она включает в себя описание всех физических эффектов, важных для определения условий возникновения ксеноновых колебаний потока нейтронов. Если отрицательный мощностной коэффициент реактивности достаточно высок, то можно сделать вывод о невозможности возникновения ксеноновых колебаний при любом произвольном уровне потока нейтронов. Тем не менее из соображений безопасности дополнительная отрицательная обратная связь по мощности обычно обеспечивается системой регулирующих стержней.
Теория, использованная для вывода этих положений, основана на линеаризованных уравнениях (10.42)—(10.44) и, следовательно, не может описывать поведение осцилляций большой амплитуды. Такие осцилляции крайне нежелательны, и цель теоретического рассмотрения — указание условий их подавления.
К счастью, периоды ксеноновых колебаний достаточно велики, и осцилляции нейтронного потока можно легко контролировать. Для получения данных о локальных изменениях потока по всему реактору распределяют систему детекторов нейтронов. Благодаря им локальные возмущения потока компенсируются соответствующими перемещениями регулирующих стержней, т. е. осцилляции потока могут быть подавлены и без участия обратной связи по мощности.
10.2. ЗАДАЧИ ОБ ИЗМЕНЕНИИ ИЗОТОПНОГО
СОСТАВА ТОПЛИВА РЕАКТОРА
10.2.1. ВВЕДЕНИЕ
Другой аспект динамики ядерных реакторов связан с долговременными изменениями в изотопном составе топлпва реактора, обусловленными воздействиями потока нейтронов на топливо. Эти изменения, пространственные и временные, оказывают существенное влияние на параметры реактора и его экономику. Кроме того, они важны для оценки устойчивости реактора и для создания системы управления реактором. Следовательно, изменения изотопного состава топлива должны быть учтены при проектировании реактора. Термин «задачи о выгорании» обычно используется при математической обработке изменений изотопного состава и их воздействий на характеристики реактора. В настоящем разделе рассмотрены две задачи о выгорании: задача об изменении изотопного состава топлива и задача о выгорающих поглотителях.
Во время работы реактора при делении топлива образуется около двухсот изотопов—продуктов деления (часть—непосредственно как осколки деления, часть — как продукт радиоактивного распада других изотопов). Некоторые изо-
P и с. 10.9. Зависимость периода ксеноновых колебаний мощности реактора от потока нейтронов в стационарном состоянии [35].
442
топы — продукты деления имеют достаточно высокие сечения поглощения нейтронов, чтобы оказывать существенное влияние на баланс нейтронов в реакторе, т. е. на реактивность системы. Кроме того, преобразование сырьевых изотопов в делящиеся при захвате нейтронов является, конечно, важнейшим физическим процессом, влияющим на продолжительность кампании и систему управления реактором.
В результате радиационного захвата нейтронов как делящимися, так и сырьевыми изотопами образуются такие изотопы, как уран-236, уран-239, плутоний-240 и т. д. Они в свою очередь могут захватить нейтроны или испытать (3-распад, образуя новые, более тяжелые изотопы тория, протактиния, урана, нептуния, плутония и т. д. Определенное количество новых тяжелых изотопов содержится в отработавшем реакторном топливе [37].
Полное решение задач о выгорании требует знания сечений всех тяжелых изотопов и продуктов деления (так же как и их долей в общем выходе продуктов деления и постоянных радиоактивного распада). В принципе уравнения переноса нейтронов можно решать в произвольный момент времени в соответствии CO сложившимися к этому моменту условиями в реакторе. Однако это невозможно частично из-за недостатка экспериментальных данных, частично из-за чрезмерно большого времени проведения таких расчетов даже на быстродействующих ЭВМ. Поэтому реализован ряд существенных упрощений в различных расчетных методиках. Хотя их результаты не очень точны, они, как показано ниже, обеспечивают достаточной информацией об общем временном поведении реактора.
